真空技术基础详解

1643年，意大利物理学家托里拆利演示了著名的大气压实验，为人类揭示了“真空”这个物理状态的存在。在此后的几个世纪里，尤其是在20世纪初，真空技术获得了飞速发展，被广泛应用于军事及民用领域。同样，真空技术也是薄膜制备的基础。几乎所有薄膜材料的制备都是在真空或者在较低的气压条件下进行的。因此，本章中我们将对真空的一些基本知识及有关真空的获得、真空的测量进行简要介绍。

第一节 真空的基本知识

一、真空度的单位

人类所接触的真空大体上可分为两种：一种是宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；另一种是人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，人们称之为“人为真空”。不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。而往往把完全没有气体的空间状态称为绝对真空。一般意义上的“真空”并不是指“什么物质也不存在”。目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。在真空技术中，常用“真空度”这个习惯用语和“压强”这一物理量表示某一空间的真空程度，但是应当严格区别它们的物理意义。某空间的压强越低意味着真空度越高，反之，压强高的空间则真空度低。

“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小的。尤其在使用托里拆利气压计时，把毫米用作压力测量则更为直观。但是1958年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”代替了毫米汞柱。1托就是指在标准状态下，1毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr = 1mmHg。1971年国际计量会议正式确定“帕斯卡”作为气体压强的国际单位，1Pa = 1 N/m2 ≈ 7.5×10-3Torr。表1-1给出了目前真空技术中常用的压强单位及其之间的换算关系。

表1-1 几种压强单位的换算关系

图1-7 电离真空计

普通型热阴极真空计的测量范围是1.33×10-1—1.33×10-5Pa，无论高于还是低于此测量极限均会使离子流I+和气体的压强之间失去线性关系。当压强较高时，电子与分子多次碰撞的几率大大增加，由于加速电位比气体的电离电位（几十伏）高很多，所以电离产生的电子足以引起气体电离，这样，将使电离规管中的电子流急剧增加，同时由于气体密度较高，电子的自由程很短，大多数碰撞属于低能碰撞，不能引起电离，许多因素导致较高压强下离子流与压强之间不再保持线性关系；当压强较低时（低于1.33×10-1Pa），高速运动的电子到达加速极上会产生软X射线，软X射线再射向离子收集极C上，会引起收集极产生光电发射，发射出电子流，从而使原离子流测量电路中叠加了这个与压强无关的电流，使离子流I+和气体的压强之间失去线性关系，这时电离真空计就不能够测量真空室中的压强了。

电离真空计可以迅速、连续地测出待测气体的总压强，而且规管体积小，易于连接，但是，规管中的发射极是由钨丝制成，当压强高于10-1Pa时，规管寿命将大大降低，甚至烧毁，应避免在高压强下工作；在真空系统暴露大气时，电离计规管的玻壳内表面和各电极会吸附气体，这些气体会影响真空测量的准确程度，因此，当真空系统长期暴露在大气或使用一段时间以后，应定时进行规管的除气处理。